石河子市地下水水文地球化學模擬

程　凡

(新疆水利水電勘測設計院,烏魯木齊　830000)

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石河子市地下水水文地球化學模擬

程凡

(新疆水利水電勘測設計院,烏魯木齊830000)

摘要：研究區(qū)域地下水的水文地球化學作用對地下水開發(fā)利用及保護有著重要的意義。在石河子市選取一個典型剖面運用PHREEQC軟件對該剖面地下水進行水文地球化學模擬。結果表明：在研究區(qū)典型剖面地下水演化過程中，控制地下水化學成分的主要礦物為方解石、白云石、石膏、CO2以及Ca2+/Na+的交換作用；受水文地質(zhì)條件差異、地層巖性不同等影響，各礦物發(fā)生的水巖作用在不同地段有不同的表現(xiàn)。

關鍵詞：地下水；水文;化學模擬；石河子市

水文地球化學模擬是分析水-巖相互作用系統(tǒng)中水、礦物(包括有機物及氣體)以及二者之間在不同環(huán)境條件下所發(fā)生的各種地球化學作用的一種重要手段。目前，有關水文地球化學模擬的模型已達到60多個[1]。其中質(zhì)量平衡模擬即反向模擬主要用來模擬地下水流動途徑上發(fā)生的化學反應，解釋從上游到下游地下水化學成分的變化機理，確定地下水流動過程中礦物和氣體的溶解或沉淀(逸出)量[2-4]。本文根據(jù)石河子市巖性地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及水化學分析資料，運用PHREEQC對地下水系統(tǒng)中發(fā)生的水-巖作用進行模擬，以期定量揭示地下水化學環(huán)境的演化過程。

1研究區(qū)概況

石河子市坐落在瑪納斯河流域沖洪積扇末端，位于天山北麓、準噶爾盆地南部，地理坐標：東經(jīng)85°53′00″～86°10′00″，北緯44°10′00″～44°30′00″，面積460 km2(其中平原區(qū)面積377.35 km2)。冬季長而冷，夏季短而熱，晝夜溫差為10～13 ℃，降水量稀少，屬于典型的大陸性干旱氣候。據(jù)市氣象站多年統(tǒng)計資料顯示：多年平均氣溫為6.6 ℃，多年平均降水量205.3 mm，多年平均蒸發(fā)量902.8 mm。地下水補給來源主要為東部、西南部邊界的側(cè)向補給、南部的暴雨洪流入滲補給、河流及渠道的滲漏和大氣降水。研究區(qū)南部為單一結構卵礫石潛水含水層，北部為多層結構潛水-承壓含水層，其中南部的潛水和北部承壓水為主要的供水目的層。地下水水位動態(tài)受氣候與人工開采共同控制，最高水位出現(xiàn)在每年3—4月份，7—8月份水位為最低值[5-7]。

2地下水水文地球化學模擬

2.1典型剖面的選取

石河子市地勢南高北低，受地勢影響，地下水總流向由南部山區(qū)向北部沖洪積平原區(qū)流動，由南向北可分為3個水文地質(zhì)單元：Ⅰ區(qū)為地下水強烈徑流補給帶(南部山區(qū))，地下水主要為基巖裂隙水；Ⅱ區(qū)為地下水水平徑流帶(山前沖洪積礫質(zhì)傾斜平原區(qū))，含水層為單一結構潛水含水層；Ⅲ區(qū)為地下水溢出帶(沖洪積平原區(qū))，含水層結構由單一結構潛水含水層過渡為多層潛水-承壓含水層結構[5,8]。3個水文地質(zhì)單元構成一個完整的局部地下水流系統(tǒng)(圖1)。按此分帶規(guī)律，本文沿地下水流向選取一個典型剖面分別對潛水和淺層承壓水進行模擬分析：X16-X19-W61-X06為潛水模擬路徑，X16-X19-X07-X04為潛水-承壓水模擬路徑(圖2和圖3)。

圖1　典型水文地質(zhì)剖面圖

2.2模擬路徑水質(zhì)分析

圖2　潛水水文地球化學模擬路徑圖

2.3水溶組分平衡分布計算

利用PHREEQC對模擬路徑水樣進行水溶組分平衡分布計算，可得到各水樣的電荷平衡系數(shù)和各礦物相對于水樣的飽和指數(shù)(SI)。各模擬水樣的電荷平衡是進行水文地球化學反向模擬的前提[8]。飽和指數(shù)可確定地下水系統(tǒng)中的反應性礦物，SI>0，表示該礦物相對水溶液處于飽和狀態(tài)；SI<0，表示該礦物相對水溶液未達到飽和狀態(tài)，SI=0，表示該礦物相對水溶液處于平衡狀態(tài)。由于水質(zhì)分析等不可避免的誤差，SI的計算結果具有不確定性，因此實際中認為SI=±0.5時水溶液與礦物處于平衡狀態(tài)[3]。模擬路徑水樣的電荷平衡系數(shù)和各礦物相對于水樣的飽和指數(shù)(SI)匯總見表2和圖6。

由表2可知，所有溶液電荷平衡系數(shù)接近于0，溶液基本平衡。由表2和圖6可知，方解石和白云石SI<±0.5，相對地下水處于平衡狀態(tài)，它們是地下水系統(tǒng)中的反應性礦物，控制著地下水的化學成分；而CO2、螢石、石膏和巖鹽均處于未飽和狀態(tài)，表明地下水在流動過程中，若沿途含水層環(huán)境中含有這些礦物時，這些礦物將會被地下水溶解直至平衡狀態(tài)。

/(mg·L-1)

圖4　　　　潛水水文地球化學模擬路徑水樣　　　水化學組分沿路徑變化圖

2.4可能礦物相的確定

研究區(qū)由南向北地層巖性主要分布為礫巖、砂巖、泥巖、卵礫石、砂礫石、中細砂、粉土、粉質(zhì)黏土，含水層巖性主要為卵礫石、砂礫石、中細砂，以硅酸鹽地層為主[5]。南部山區(qū)為地下水強烈補給帶。

圖5　　　　潛水-承壓水水文地球化學模擬路徑水樣　　　水化學組分沿路徑變化圖

圖6　主要礦物飽和指數(shù)圖

礦物X16X19W61X06X07X04電荷平衡系數(shù)1.48×10-4-9.50×10-4-7.49×10-4-9.93×10-4-2.20×10-4-3.14×10-4方解石0.12-0.040.280.240.13-0.09CO2-2.68-1.88-1.4-1.76-2.56-2.57白云石-0.24-0.320.280.37-0.11-0.56螢石-1.9-2.08-2.51-1.52-1.83-1.66石膏-1.31-1.31-0.83-1.14-1.97-2.28巖鹽-6.7-6.88-6.87-6.54-7.73-7.63

根據(jù)前人地質(zhì)研究，南部山區(qū)地層中分布的礦物主要有石英、長石類礦物、方解石、云母類礦物、白云石、石膏和黏土礦物[9-11]。主要黏土礦物有伊利石、蒙脫石和高嶺石[12]。由上文模擬路徑水質(zhì)分析可知，研究區(qū)的地下水處于堿性環(huán)境，高嶺石是長石類礦物在酸性條件下水解的產(chǎn)物[13]，因此，高嶺石不作為可能礦物相。對于鋁硅酸鹽為主的含水系統(tǒng)中，Cl-的來源機理暫不明確，并且在實際情況中，固相NaCl很難找到，因此本次模擬暫不考慮Cl-的來源[14]。綜合含水層礦物的分析結果、地下水的化學成分以及礦物飽和指數(shù)，選取白云石、方解石、石膏、鈉長石、鈣蒙脫石、螢石、伊利石、CO2(氣體)和陽離子交換劑來進行水文地球化學反向模擬，礦物溶解反應的反應方程式見表3[15]。

表3　各礦物相反應方程式表

3水文地球化學反向模擬結果分析

根據(jù)前文選定的礦物相等相關模擬參數(shù)，利用PHREEQC分別建立典型剖面潛水和淺層承壓水水-巖相互作用模型。由于地下水系統(tǒng)巖性的復雜性及礦物的多樣性，選定模擬的反應性礦物可能會大于約束方程，因而造成模型的多解性[16]，應在符合熱力學和化學原理的同時，結合當?shù)厮牡刭|(zhì)條件及地層巖性，以及上文中的各礦物相對溶液的飽和指數(shù)來選擇與實際情況相近的解來分析解釋地下水的演化過程。研究區(qū)典型剖面水文地球化學反向模擬最終結果見表4，礦物轉(zhuǎn)移量為正表示溶解，為負表示沉淀，“-”表示在模型中該礦物未參與反應。

表4水-巖相互作用模擬結果表mmol/L

礦物礦物化學式潛水X16-X06潛水X16-X19潛水-承壓水X16-X04承壓水X07-X04方解石CaCO3-0.3060.6991.0180.078CaX2CaX2-0.925-1.927-0.785-0.163NaXNaX1.8493.8551.5710.326白云石CaMg(CO3)21.1190.228-0.354-0.114CO2(g)CO22.4481.4990.271-0.172石膏CaSO4·2H2O0.8810.592-1.451-0.210螢石CaF20.005-0.0090.006伊利石K0.6Mg0.25Al2.3Si3.5O10(OH)20.012-0.010-0.065-0.024鈉長石NaAlSi3O80.001-0.001-0.006-0.002鈣蒙脫石Ca0.165Al2.33Si3.67O10(OH)2-0.0130.0100.0660.025

圖7　典型剖面地下水化學類型Piper圖

圖8　典型剖面礦物轉(zhuǎn)移量柱形圖(a)

圖9　典型剖面礦物轉(zhuǎn)移量柱形圖(b)

4結語

應用水文地球化學反向模擬對石河子市地下水進行分析可定量得出控制地下水化學成分的主要礦物轉(zhuǎn)移量以及各化學組分的遷移、轉(zhuǎn)化與富集規(guī)律，同時，對認識和了解石河子市地下水的賦存、補徑排規(guī)律具有參考價值，從而對石河子市地下水的開發(fā)利用與水環(huán)境保護提供科學依據(jù)。

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Hydrogeochemical Simulation of Ground Water of Shihezi City

CHENG Fan

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi830000,China)

Abstract:The study of the hydrogeochemical action of ground water in a region is significant to utilization and protection of the ground water. In Shihezi City, one typical section is selected to perform the hydrogeochemical simulation of the ground water at the chosen section by software of PHREEQC. The simulation results prove that the main minerals controlling the chemical components of the ground water while the evolution of the ground water at the typical section is studied are calcite, dolomite, gypsum, CO2 and exchange action of Ca2+/Na+. Affected by different hydrogeological conditions and terrane rock characteristics, the water-rock interaction each mineral will be different at different location.

Key words:ground water; hydrology; chemical simulation; Shihezi City

中圖分類號：TV12

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.005

作者簡介：程凡(1992- )，女，重慶市合川區(qū)人，工學碩士，主要從事水土保持工作.

收稿日期：2015-08-06

文章編號：1006—2610(2016)01—0018—05